Und die Fusion?

Die Berichte Ende letzten Jahres über den Bau eines Fusionsreaktors durch chinesische Spezialisten klangen sensationell (1). Chinesische Staatsmedien berichteten, dass die HL-2M-Anlage, die sich in einem Forschungszentrum in Chengdu befindet, im Jahr 2020 ihren normalen Betrieb aufnehmen wird. Der Ton der Medienberichte deutete darauf hin, dass die Frage des Zugangs zur unerschöpflichen Energie der Kernfusion für immer gelöst sei.

Ein genauerer Blick auf die Details trägt dazu bei, den Optimismus abzukühlen.

Nowy Gerät vom Tokamak-Typ, mit einem fortschrittlicheren Design als die bisher bekannten, soll Plasma mit Temperaturen über 200 Millionen Grad Celsius erzeugen. Das gab Duan Xiuru, Leiter des Southwest Institute of Physics der China National Nuclear Corporation, in einer Pressemitteilung bekannt. Das Gerät wird den Chinesen, die an dem Projekt arbeiten, technische Unterstützung bieten Internationaler Thermonuklearer Versuchsreaktor (ITER)sowie Bau.

Ich denke also, dass es sich hier noch nicht um eine Energierevolution handelt, obwohl sie von den Chinesen geschaffen wurde. KHL-2M-Reaktor es ist noch wenig bekannt. Wir wissen nicht, wie hoch die voraussichtliche Wärmeleistung dieses Reaktors sein wird oder welche Energieniveaus erforderlich sind, um darin eine Kernfusionsreaktion durchzuführen. Das Wichtigste wissen wir nicht - ist der chinesische Fusionsreaktor ein Design mit positiver Energiebilanz, oder ist es nur ein weiterer experimenteller Fusionsreaktor, der eine Fusionsreaktion ermöglicht, aber gleichzeitig mehr Energie für die "Zündung" benötigt als der Energie, die durch Reaktionen gewonnen werden kann.

Internationale Bemühungen

China ist neben der Europäischen Union, den Vereinigten Staaten, Indien, Japan, Südkorea und Russland Teilnehmer am ITER-Programm. Es ist das teuerste der laufenden internationalen Forschungsprojekte, die von den oben genannten Ländern finanziert werden, und kostet etwa 20 Milliarden US-Dollar. Es wurde als Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen den Regierungen von Michail Gorbatschow und Ronald Reagan während des Kalten Krieges entdeckt und viele Jahre später in einen Vertrag aufgenommen, der 2006 von allen diesen Ländern unterzeichnet wurde.

2. Auf der Baustelle des ITER-Tokamaks

Das ITER-Projekt in Cadarache in Südfrankreich (2) entwickelt den weltweit größten Tokamak, eine Plasmakammer, die durch ein starkes Magnetfeld gezähmt werden muss, das von Elektromagneten erzeugt wird. Diese Erfindung wurde in den 50er und 60er Jahren von der Sowjetunion entwickelt. Projektmanager, Lavan Koblenz, kündigte an, dass die Organisation das „erste Plasma“ bis Dezember 2025 erhalten soll. ITER soll jeweils eine thermonukleare Reaktion für etwa 1 Menschen unterstützen. Sekunden, an Kraft gewinnend 500-1100 MW. Zum Vergleich: Der bisher größte britische Tokamak, JET (gemeinsamer europäischer Torus), hält eine Reaktion mehrere zehn Sekunden lang aufrecht und gewinnt an Stärke bis zu 16 MW. Die Energie in diesem Reaktor wird als Wärme freigesetzt und ist nicht für die Umwandlung in Elektrizität vorgesehen. Eine Einspeisung von Fusionsenergie ins Netz kommt nicht in Frage, da das Projekt ausschließlich Forschungszwecken dient. Nur auf der Grundlage von ITER wird es möglich sein, die künftige Generation thermonuklearer Reaktoren zu bauen, die eine hohe Leistung erreichen 3-4 Tausend. MW.

Der Hauptgrund dafür, dass es trotz mehr als sechzig Jahren umfangreicher und teurer Forschung immer noch keine richtigen Fusionskraftwerke gibt, ist die Schwierigkeit, das Verhalten des Plasmas zu kontrollieren und zu „kontrollieren“. Allerdings haben jahrelange Experimente viele wertvolle Entdeckungen hervorgebracht, und heute scheint die Fusionsenergie viel näher zu sein als je zuvor.

Helium-3 hinzufügen, mischen und erhitzen

ITER ist der Schwerpunkt der weltweiten Fusionsforschung, doch viele Forschungszentren, Unternehmen und Militärlabore arbeiten auch an anderen Fusionsprojekten, die vom klassischen Ansatz abweichen.

Zum Beispiel in den letzten Jahren durchgeführt vom Massachusetts Institute of Technology Experimente mit Helm-3 auf dem Tokamak lieferte spannende Ergebnisse, darunter zehnfache Steigerung der Energie Plasma-Ion. Wissenschaftler, die am Massachusetts Institute of Technology Experimente am C-Mod-Tokamak durchführen, haben zusammen mit Spezialisten aus Belgien und dem Vereinigten Königreich einen neuen Typ von Fusionsbrennstoff entwickelt, der drei Arten von Ionen enthält. Team Alcator C-Mod (3) führte die Studie bereits im September 2016 durch, die Daten aus diesen Experimenten wurden jedoch erst kürzlich analysiert und zeigten einen enormen Anstieg der Plasmaenergie. Die Ergebnisse waren so ermutigend, dass Wissenschaftler, die das weltweit größte in Betrieb befindliche Fusionslabor, JET im Vereinigten Königreich, betreiben, beschlossen, die Experimente zu wiederholen. Es wurde die gleiche Energiesteigerung erreicht. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

3. Alcator C-Mod Tokamak im Einsatz

Der Schlüssel zur Steigerung der Effizienz von Kernbrennstoffen war die Zugabe von Spurenmengen von Helium-3, einem stabilen Heliumisotop mit einem Neutron statt zwei. Der bei der Alcator-C-Methode verwendete Kernbrennstoff enthielt bisher nur zwei Arten von Ionen – Deuterium und Wasserstoff. Deuterium, ein stabiles Wasserstoffisotop mit einem Neutron im Kern (im Gegensatz zu Wasserstoff ohne Neutronen), macht etwa 95 % des Brennstoffs aus. Wissenschaftler des MIT Plasma Research Center (PSFC) verwendeten ein Verfahren namens Erwärmung in Radiofrequenzen. Antennen in der Nähe des Tokamaks nutzen eine bestimmte Radiofrequenz, um die Partikel anzuregen, und die Wellen sind so kalibriert, dass sie Wasserstoffionen „anvisieren“. Da Wasserstoff nur einen winzigen Bruchteil der Gesamtdichte des Kraftstoffs ausmacht, können durch die Konzentration auf die Erwärmung nur eines kleinen Bruchteils der Ionen extreme Energieniveaus erreicht werden. Anschließend wandern die angeregten Wasserstoffionen zu den vorherrschenden Deuteriumionen in der Mischung, und die so gebildeten Partikel gelangen in die äußere Hülle des Reaktors und geben dabei Wärme ab.

Die Effizienz dieses Prozesses erhöht sich, wenn der Mischung Helium-3-Ionen in einer Menge von weniger als 1 % zugesetzt werden. Indem die Wissenschaftler die gesamte Radiowärme auf eine winzige Menge Helium-3 konzentrierten, erhöhten sie die Energie der Ionen auf Megaelektronenvolt (MeV).

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In den letzten Jahren gab es in der Welt der kontrollierten Kernfusionsarbeit viele Entwicklungen, die die Hoffnung von Wissenschaftlern und uns allen geweckt haben, endlich den „Heiligen Gral“ der Energie zu erreichen.

Zu den guten Signalen zählen unter anderem Entdeckungen des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE). Radiowellen wurden mit großem Erfolg eingesetzt, um sogenannte Plasmastörungen, die bei der „Verschönerung“ thermonuklearer Reaktionen von entscheidender Bedeutung sein können, deutlich zu reduzieren. Dieselbe Forschungsgruppe berichtete im März 2019 über ein Lithium-Tokamak-Experiment, bei dem die Innenwände des Testreaktors mit Lithium beschichtet wurden, einem Material, das aus Batterien bekannt ist, die üblicherweise in der Elektronik verwendet werden. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Lithiumauskleidung an den Reaktorwänden verstreute Plasmapartikel absorbiert und so verhindert, dass sie in die Plasmawolke zurückreflektiert werden und thermonukleare Reaktionen stören.

4. Visualisierungsprojekt TAE Technologies

Wissenschaftler großer renommierter Wissenschaftsinstitutionen sind in ihren Aussagen sogar vorsichtig optimistisch geworden. In jüngster Zeit ist auch im privaten Sektor das Interesse an kontrollierten Synthesetechniken stark gestiegen. Im Jahr 2018 kündigte Lockheed Martin einen Plan zur Entwicklung eines Prototyps eines kompakten Fusionsreaktors (CFR) im nächsten Jahrzehnt an. Wenn die Technologie, an der das Unternehmen arbeitet, funktioniert, könnte ein Gerät in LKW-Größe genug Strom liefern, um den Bedarf eines 100 Quadratmeter großen Geräts zu decken. Stadtbewohner.

Andere Unternehmen und Forschungszentren konkurrieren darum, wer den ersten echten Fusionsreaktor bauen kann, darunter TAE Technologies und das Massachusetts Institute of Technology. Sogar Jeff Bezos von Amazon und Bill Gates von Microsoft haben sich kürzlich an Fusionsprojekten beteiligt. NBC News zählte kürzlich siebzehn kleine Unternehmen, die sich ausschließlich der Fusion in den Vereinigten Staaten widmen. Startups wie General Fusion oder Commonwealth Fusion Systems konzentrieren sich auf kleinere Reaktoren auf Basis innovativer Supraleiter.

Das Konzept der „kalten Fusion“ und Alternativen zu großen Reaktoren, nicht nur Tokamaks, sondern auch den sogenannten. Stellaratoren, mit etwas anderem Design, ebenfalls in Deutschland gebaut. Auch die Suche nach einem anderen Ansatz geht weiter. Ein Beispiel hierfür ist ein Gerät namens Z-Pinch, von Wissenschaftlern der University of Washington gebaut und in einer der neuesten Ausgaben der Zeitschrift Physics World beschrieben. Der Z-Pinch funktioniert, indem er Plasma in einem starken Magnetfeld einfängt und komprimiert. Im Experiment gelang es, das Plasma 16 Mikrosekunden lang zu stabilisieren, die Fusionsreaktion lief etwa ein Drittel dieser Zeit ab. Die Demonstration sollte zeigen, dass Fusion im kleinen Maßstab möglich ist, obwohl viele Wissenschaftler immer noch ernsthafte Zweifel daran haben.

Dank der Unterstützung von Google und anderen Investoren, die sich auf Spitzentechnologien konzentrieren, verfolgt das in Kalifornien ansässige Unternehmen TAE Technologies wiederum einen anderen Ansatz als typische Fusionsexperimente. Borhydrid-Kraftstoffgemisch, mit denen kleinere und günstigere Reaktoren entwickelt wurden, zunächst mit dem Ziel sogenannter Fusionsraketenantriebe. Prototyp eines zylindrischen Fusionsreaktors (4) mit kollidierenden Strahlen (CBFR), das Wasserstoffgas erhitzt, um zwei Plasmaringe zu bilden. Sie verbinden sich mit Bündeln inerter Partikel und werden in diesem Zustand gehalten, was dazu beitragen soll, die Energie und Haltbarkeit des Plasmas zu erhöhen.

Ein weiteres thermonukleares Startup, General Fusion aus der kanadischen Provinz British Columbia, wird von Jeff Bezos selbst unterstützt. Einfach ausgedrückt besteht das Konzept darin, heißes Plasma in eine Kugel aus flüssigem Metall (einer Mischung aus Lithium und Blei) in einer Stahlkugel zu injizieren. Anschließend wird das Plasma durch Kolben komprimiert, ähnlich wie bei einem Dieselmotor. Der erzeugte Druck soll zu einer Kernfusion führen, die riesige Energiemengen freisetzt, um die Turbinen eines neuartigen Kraftwerks anzutreiben. Mike Delage, Chief Technology Officer bei General Fusion, sagt, dass die kommerzielle Kernfusion innerhalb eines Jahrzehnts auf den Markt kommen könnte.

5. Illustration aus dem thermonuklearen Patent der US Navy.

Die US-Marine hat kürzlich auch ein Patent für ein „Plasma-Fusionsgerät“ angemeldet. Das Patent spricht von Magnetfeldern zur Erzeugung „beschleunigter Schwingungen“ (5). Die Idee besteht darin, Fusionsreaktoren zu bauen, die klein genug sind, um tragbar zu sein. Es versteht sich von selbst, dass dieser Patentantrag auf Skepsis stieß.